CN106940444A - 基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达。本发明在平衡探测器后接带通滤波器,滤除远离多普勒频移的无效信号;使用前置放大器对探测器输出的电信号进行放大,并使用功率分配器将放大后的电信号分为监测通道和检测信号。检测信号通过预加重滤波器进行滤波,将检测信号的频域变化转换为信号强度变化,通过与监测通道和预加重滤波器透过率曲线的对比,得到多普勒频移信息。本发明减少了无效回波信号的干扰,使用预加重滤波器对回波信号进行鉴频,减少了信号处理的计算量,提高了系统的灵敏度和信噪比,便于实现更高距离分辨率的相干多普勒测风激光雷达。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域,具体涉及基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达。
背景技术
精确的大气风场测量对检测大气污染,军事环境情报的获取,航空航天安全性的提高,天气预报准确性的提高,气候模型改进等具有重大意义。自从Fiocco和Smullin发明了第一台激光雷达以来,使用激光雷达对大气特性和天气情况进行观测已经有50多年历史。得益于光纤通信技术的发展,基于1550nm通信波段的全光纤激光雷达技术近年来发展迅速。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达,法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达,英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达,英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达,美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的相干激光雷达,并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2014年报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。以上相干多普勒测风激光雷达的原理图如图1所示:
连续波激光器产生中心频率为υ0的线偏振光,经分光片后分为信号光和本振光,信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光,并产生υM的频移,再由放大器进行功率放大,经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υd,则回波信号中心频率为υ0+υM+υd,回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υM+υd的IF电信号,再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。
基于采样定理和相干探测的原理,相干测风激光雷达需要从每秒GB量级的IF信号中提取多普勒频移、信号功率以及回波信号谱宽信息。对于实时风速测量,如何准确高效地提取多普勒频移信息尤为重要。目前常用的多普勒频移提取算法有脉冲对算法(PP)、最大似然估计法(ML)、周期图最大似然估计法(PM)和时间级数模型算法(AR,MV)。
本发明的发明人研究发现:脉冲对算法计算量最小,但是在低信噪比情况下误差大。最大似然估计法和周期图最大似然估计法目前最常用,但是以上两种算法都需将时域回波信号转换为频域谱分布,求每个探测距离门内信号的功率谱的峰值(MLDSP)。当采集卡速率为500MS/s、距离分辨率60m、时域分辨率1s时,每秒需做2.56G次FFT。虽然现在可以使用DSP或FPGA实现如此高速信号的实时处理,但是高昂的成本,以及随着距离分辨率的提高,对实时信号处理速度的更高要求等不利因素都限制了相干多普勒测风激光雷达的发展。
发明内容
本发明的目的是提出基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达。使用电学上的预加重滤波器对不同频率的IF电信号进行差分放大,将差分放大之后的IF电信号与参考电信号以及预加重滤波器的响应曲线进行对比,得到不同频率处的电压值,实现频域信号到电压信号的直接转换;相对于目前常用的多普勒频移提取算法,避免了FFT计算,降低了相干多普勒测风激光雷达数据处理的运算量,提高了风场反演速度,降低了相干接收机的成本,便于后续更高距离分辨率相干测风激光雷达的实现。
本发明是这样实现的:
基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,包括:连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、光纤环形器、收发望远镜、混频器、光电探测器、带通滤波器、前置放大器、功率分配器、预加重滤波器、多通道采集卡和数字信号处理模块;其中,
连续波激光器连接光纤分束器的入光口,光纤分束器将输入的光信号分为信号光和本振光;信号光接入光调制器的入光口,光调制器的出光口连接激光放大器的入光口;激光放大器的出光口连接光纤环形器的输入口,光纤环形器的收发口连接收发望远镜,光纤环形器的输出口连接混频器的第一入光口;本振光接入混频器的第二入光口,混频器的输出端连接光电探测器的输入端;光电探测器的输出端连接带通滤波器的输入端,带通滤波器的输出端连接前置放大器的输入端,前置放大器的输出端连接功率分配器的输入端;所述功率分配器包括至少两个输出端,功率分配器的第一输出端连接预加重滤波器的输入端,多通道采集卡包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器的第二输出端连接多通道采集卡的第一输入通道;所述预加重滤波器的输出端连接多通道采集卡的第二输入通道;所述多通道采集卡的输出端连接数字信号处理模块。
进一步地,所述光调制器为电光调制器或声光调制器。
进一步地,所述光电探测器为平衡探测器。
进一步地,所述激光放大器为掺铒光纤放大器。
进一步地,所述连续波激光器、光纤分束器、光调制器、激光放大器、光纤环形器、望远镜、混频器和光电探测器之间均采用保偏光纤连接。
进一步地,所述功率分配器为一分二功率分配器。
进一步地,所述预加重滤波器用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号。
进一步地,功率分配器用于将前置放大器放大之后的电信号分为两部分,一部分电信号作为监测通道,直接输入多通道采集卡,另一部分信号输入预加重滤波器进行鉴频;预加重滤波器用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号;数字信号处理模块用于根据多通道采集卡采集到的预加重滤波器输出的强度随频率变化的电压信号、监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线,得到回波信号的多普勒频移,反演风速。
进一步地,所述预加重滤波器的响应曲线用于存储输入预加重滤波器的信号的频率与输出信号强度的对应关系。
基于上述基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法,包括:
连续波激光器输出激光至光纤分束器;
光纤分束器将输入的激光分为两路,一路用作信号光,另外一路用作本振光;
信号光输入光调制器调制为脉冲光,脉冲光经激光放大器放大后输入光纤环形器,由望远镜出射;
本振光输入混频器;
望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号,并将接收到的回波信号经光纤分束器输出;光纤分束器输出的回波信号输入至混频器中与本振光混频,混频后的光信号输出至光电探测器;
光电探测器将检测到的拍频电信号通过带通滤波器滤除直流和远离多普勒频移范围的无效杂散电信号后,经过前置放大器进行放大;前置放大器将放大后的信号输入功率分配器;
功率分配器的输出的一部分信号作为参考信号输入多通道采集卡的一个输入口作为监测通道,功率分配器输出的第二部分信号输入预加重滤波器进行信号处理;
预加重滤波器将频域电信号转换为强度随频率变化的电压信号后,输入多通道采集卡;
多通道采集卡接收功率分配器输出的参考信号和预加重滤波器输出的信号后输出至数字信号处理模块;
数字信号处理模块将预加重滤波器输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线作对比,得到电压对应的回波信号的多普勒频移,根据多普勒频移反演风速。
本发明还提供了一种基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,包括:连续波激光器、分束器、光调制器、激光放大器、环形器、收发望远镜、混频器、光电探测器、带通滤波器、前置放大器、功率分配器、预加重滤波器、多通道采集卡和数字信号处理模块;其中,
连续波激光器输出的光信号经分束器后分为信号光和本振光,信号光输入光调制器调制后,输入到激光放大器,激光放大器将输入的光信号放大后输出到环形器的输入端,环形器的收发端连接望远镜,从光纤环形器的输出端输出的光信号输入到混频器的第一输入端;本振光接入混频器的第二输入端;从混频器输出的光信号输入光电探测器;从光电探测器的输出的信号输入带通滤波器,带通滤波器的输出端连接前置放大器的输入端;前置放大器的输出端连接功率分配器的输入端;所述功率分配器包括至少两个输出端,功率分配器的第一输出端连接预加重滤波器的输入端,多通道采集卡包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器的第二输出端连接多通道采集卡的第一输入通道;所述预加重滤波器的输出端连接多通道采集卡的第二输入通道;所述多通道采集卡的输出端连接数字信号处理模块。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明采用功率分配器将前置放大器放大之后的电信号一分为二,一部分电信号作为监测通道,直接输入多通道采集卡,另一路信号输入预加重滤波器进行鉴频。通过预加重滤波器将电信号的频域变化转变为相对于参考信号的强度变化。不再需要进行大量FFT变换便可实现频率检测。减小了相干多普勒测风激光雷达数据处理的运算量,提高了数据处理速度,便于实现更高距离分辨率的相干多普勒测风激光雷达。
(2)在平衡探测器后,通过带通滤波器滤除直流信号和远离多普勒频移范围的无效信号,减少后续信号处理电路的噪声干扰,防止前置放大器饱和,提高雷达系统灵敏度和信噪比。
(3)通过前置放大器对探测器输出的电信号进行放大,可以提高后续信号处理电路的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为传统相干测风激光雷达的原理图;
图2为本发明提供的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达结构框图;
图3为本发明实施例提供的预加重滤波器的响应曲线;
图4为本发明实施例提供的未通过预加重滤波器的信号与通过预加重滤波器后信号的对比示意图;
图5为本发明提供的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达的另一结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
图2为本发明提供的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达结构框图,如图2所示,基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达包括:
连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、光纤环形器5、收发望远镜6、混频器7、光电探测器8、带通滤波器9、前置放大器10、功率分配器11、预加重滤波器12、多通道采集卡13和数字信号处理模块14;
连续波激光器1用于输出连续光作为种子光。在一个可选的实施例中,连续波激光器为光纤激光器,光纤激光器具体体积小、重量轻的优点。
连续波激光器1的输出端与光纤分束器2的入光口连接,所述光纤分束器2将输入的光信号分为信号光和本振光。具体的,光纤分束器2用于将输入的光信号分为两路,即信号光和本振光。光纤分束器2具有两个输出端,分别是第一输出端和第二输出端,其中,第一输出端用于输出信号光,第二输出端用于输出本振光。
第一输出端与光调制器3的输入端连接,信号光接入光调制器3的入光口。光调制器3可以是声光调制器,或者光调制器3可以是电光调制器,只要能够将输入的连续光转换为脉冲光的光调制器,均适用于本发明。
光调制器3的出光口连接激光放大器4的入光口,入光口也叫做输出端;出光口也叫做输出端。
激光放大器4的出光口连接光纤环形器5的输入端。
在一个可选的实施例中,连续波激光器1输出的光信号的波长为1550nm,所述激光放大器4为掺铒光纤放大器。
光纤环形器5具有三个端口,分别为输入端、收发端和输出端,收发端既能发射光信号,也能接收光信号。输入端对应于图2中的a端,收发端对应于图2中的b端,输出端对应于图2中的c端。
光纤环形器5的收发端连接望远镜6,用于将输入的信号光经望远镜6发射到大气中,同时,光纤环形器5的收发端用于接收信号光的后向散射信号。
光纤环形器5的输出端连接混频器7的第一输入端。
混频器7是产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件。混频器mixer用于把输入的两个不同频率的信号进行混合得到第三个频率的信号。混频器7具有至少两个输入端,即第一输入端和第二输入端。
本振光接入混频器7的第二输入端;混频器7的输出端连接光电探测器8的输入端。在一个可选的实施例中,光电探测器8为平衡探测器。
光电探测器8的输出端连接带通滤波器9的输入端,带通滤波器9的输出端连接前置放大器10的输入端;前置放大器10的输出端连接功率分配器11的输入端;功率分配器power divider是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件,所述功率分配器11包括至少两个输出端,即功率分配器11至少包括第一输出端和第二输出端;功率分配器11的第一输出端连接预加重滤波器12的输入端,多通道采集卡13包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器11的第二输出端连接多通道采集卡13的第一输入通道;所述预加重滤波器12的输出端连接多通道采集卡13的第二输入通道;所述多通道采集卡13的输出端连接数字信号处理模块14。
进一步地,所述预加重滤波器12用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号。
进一步地,功率分配器11用于将前置放大器10放大之后的电信号分为两部分,一部分电信号作为监测通道,直接输入多通道采集卡13,另一部分信号输入预加重滤波器12进行鉴频;预加重滤波器12用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号;数字信号处理模块14用于根据多通道采集卡13采集到的预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号、监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线,得到回波信号的多普勒频移,根据多普勒频移反演风速。激光雷达回波信号的多普勒频移与风速的关系是本领域的公知常识,不再赘述。
由于预加重滤波器对不同频率的输入信号具有不同的透过率,能够将信号的频域变化转变为信号强度变化;预加重滤波器12将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号;通过预加重滤波器输出的信号与监测通道以及预加重滤波器的响应曲线作对比,实现多普勒频移的检测。预加重滤波器的响应曲线也称为预加重滤波器的透过率曲线。
所述预加重滤波器的响应曲线用于存储输入预加重滤波器信号的频率与输出信号强度的对应关系。图3为在一种具体的应用场景中,本发明实施例提供的预加重滤波器的响应曲线。从图3可见,预加重滤波器的透过率(或者称为信号强度)与输入信号的频率有确定的映射关系。预加重滤波器的响应曲线为预先设置的。
具体地,数字信号处理模块14根据多通道采集卡13采集到的预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号、监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线,得到回波信号的多普勒频移,反演风速,包括:数字信号处理模块14将多通道采集卡13采集到的预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线进行对比,得到预加重滤波器12输出的电压对应的回波信号的多普勒频移,通过多普勒反演风速。
数字信号处理模块14将多通道采集卡13采集到的预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线进行对比可以是:数字信号处理模块14将多通道采集卡13采集到的预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号先与监测通道输出的电压信号对比,对比后的结果与预定的预加重滤波器的响应曲线进行对比。
本发明采用预加重滤波器测量探测信号的频率,不需要进行FFT变换便可以提取探测信号频域信息。本发明同时利用了相干探测和直接探测的优点,实现相干多普勒测风激光雷达对宽谱微弱瑞利信号的探测。
在一种可选的实施例中,所述功率分配器为一分二功率分配器。当然,功率分配器也可以是其他类型的一分多功率分配器,只要能够输出至少两路信号的功率分配器,均适用于本发明。
带通滤波器9用于滤除直流信号和远离多普勒频移范围的无效信号包括气溶胶米散射信号。使用带通滤波器滤除米散射信号后,再使用前置放大器对瑞
利信号进行放大,减少后续信号处理电路的噪声干扰,可以有效防止前置放大器饱和,同时可以提高后续探测电路的灵敏度和信噪比。
采用功率分配器将放大后的瑞利信号分出一路作为参考信号,可以去除光电探测器或放大器不稳定造成的信号探测误差。
数字信号处理模块14可以是计算机或具有数字信号处理功能的器件,如单片机。
光电探测器输出的电信号大部分为弱信号,前置放大器10用于对光电探测器输出的电信号进行放大,提高后续信号处理电路的灵敏度。
在一个可选的实施例中,所述连续波激光器1、光纤分束器2、光调制器3、激光放大器4、光纤环形器5、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间均采用保偏光纤连接。由于上述光路中的各个元件之间均采用保偏光纤连接,有效地减小了整个装置的体积、重量,同时,由于光纤轻柔、可弯折的特性,光纤连接有效地增加了装置的灵活性和便携性,降低装置的硬件装配要求。
本发明还提供了一种基于上述基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法,包括:
连续波激光器输出激光至光纤分束器;
光纤分束器将输入的激光分为两路,一路用作信号光,另外一路用作本振光;
信号光输入光调制器调制为脉冲光,脉冲光经激光放大器放大后输入光纤环形器,由望远镜出射;
本振光输入混频器;
望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号,并将接收到的回波信号经光纤分束器输出;光纤分束器输出的回波信号输入至混频器中与本振光混频,混频后的光信号输出至光电探测器;
光电探测器将检测到的拍频电信号通过带通滤波器滤除直流和远离多普勒频移范围的无效杂散电信号后,经过前置放大器进行放大;前置放大器将放大后的信号输入功率分配器;
功率分配器的输出的一部分信号作为参考信号输入多通道采集卡的一个输入口作为监测通道,功率分配器输出的第二部分信号输入预加重滤波器进行信号处理;
预加重滤波器将频域电信号转换为强度随频率变化的电压信号后,输入多通道采集卡;
多通道采集卡接收功率分配器输出的参考信号和预加重滤波器输出的信号后输出至数字信号处理模块;
数字信号处理模块将预加重滤波器输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线作对比,得到电压对应的回波信号的多普勒频移,根据多普勒频移反演风速。
下面结合图2-图4对本发明提供的基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达的工作过程进行说明。
步骤一:连续波激光器1发出线偏振激光,激光经光纤分束器2分为本振光和信号光。信号光经光调制器3调制成频移80MHz的脉冲光后,经激光放大器4进行能量放大,通过光纤环形器5输入收发望远镜6后发射至大气中。
步骤二:出射激光经大气作用后,后向散射信号也称为探测信号由收发望远镜6接收,探测信号与本振光一起输入混频器7混频后输入平衡探测器8中探测。探测之后的拍频电信号通过带通滤波器9滤除直流和远离多普勒频移范围的无效杂散电信号后,经过前置放大器10进行放大。
步骤三:前置放大器10放大之后的电信号经过功率分配器11一分为二,一路输出作为监测通道,输入多通道采集卡13。另一路经过预加重滤波器12,将频域电信号转换为强度随频率变化的电压信号后,输入多通道采集卡13。在数字信号处理模块14上将预加重滤波器12输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线作对比,得到电压对应的回波信号的多普勒频移,反演风速。
作为可选的实施例,步骤一中光调制器调制的频移的频率匹配在预加重滤波器透过率曲线的中心位置时,能够达到最大的探测动态范围。
预加重滤波器的响应曲线也称为预加重滤波器的透过率曲线。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明采用功率分配器将前置放大器放大之后的电信号一分为二,一部分电信号作为监测通道,直接输入多通道采集卡,另一路信号输入预加重滤波器进行鉴频。通过预加重滤波器将电信号的频域变化转变为相对于参考信号的强度变化。不再需要进行大量FFT变换便可实现频率检测。减小了相干多普勒测风激光雷达数据处理的运算量,提高了数据处理速度,便于实现更高距离分辨率的相干多普勒测风激光雷达。
(2)在平衡探测器后,通过带通滤波器滤除直流信号和远离多普勒频移范围的无效信号,减少后续信号处理电路的噪声干扰,防止前置放大器饱和,提高雷达系统灵敏度和信噪比。
(3)通过前置放大器对探测器输出的电信号进行放大,可以提高后续信号处理电路的灵敏度。
实施例2
如图5所示,本发明提供了一种基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,包括:连续波激光器1、分束器、光调制器3、激光放大器4、环形器、收发望远镜6、混频器7、光电探测器8、带通滤波器9、前置放大器10、功率分配器11、预加重滤波器12、多通道采集卡13和数字信号处理模块14;其中,
连续波激光器1输出的光信号经分束器后分为信号光和本振光,信号光输入光调制器3调制后,输入到激光放大器4,激光放大器4将输入的光信号放大后输出到环形器的输入端,环形器的收发端连接望远镜6,从光纤环形器的输出端输出的光信号输入到混频器7的第一输入端;本振光接入混频器7的第二输入端;从混频器7输出的光信号输入光电探测器8;从光电探测器8的输出的信号输入带通滤波器9,带通滤波器9的输出端连接前置放大器10的输入端;前置放大器10的输出端连接功率分配器11的输入端;所述功率分配器11包括至少两个输出端,功率分配器11的第一输出端连接预加重滤波器12的输入端,多通道采集卡13包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器11的第二输出端连接多通道采集卡13的第一输入通道;所述预加重滤波器12的输出端连接多通道采集卡13的第二输入通道;所述多通道采集卡13的输出端连接数字信号处理模块14。
图中,连续波激光器1、分束器、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7、光电探测器8之间的连线代表光信号的传输方向,连续波激光器1、分束器2、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间可以通过光纤连接,当然,也可以不通过光波导,连续波激光器1、分束器2、光调制器3、激光放大器4、环形器、望远镜6、混频器7和光电探测器8之间的光信号在自由空间传输也适用于本发明。
在一种可选的实施例中,所述功率分配器为一分二功率分配器。当然,功率分配器也可以是其他类型的一分多功率分配器,只要能够输出至少两路信号的功率分配器,均适用于本发明。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,包括:连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、光纤环形器(5)、收发望远镜(6)、混频器(7)、光电探测器(8)、带通滤波器(9)、前置放大器(10)、功率分配器(11)、预加重滤波器(12)、多通道采集卡(13)和数字信号处理模块(14);其中,
连续波激光器(1)连接光纤分束器(2)的入光口,光纤分束器(2)将输入的光信号分为信号光和本振光;信号光接入光调制器(3)的入光口,光调制器(3)的出光口连接激光放大器(4)的入光口;激光放大器(4)的出光口连接光纤环形器(5)的输入口,光纤环形器的收发口连接收发望远镜(6),光纤环形器(5)的输出口连接混频器(7)的第一入光口;本振光接入混频器(7)的第二入光口,混频器(7)的输出端连接光电探测器(8)的输入端;光电探测器(8)的输出端连接带通滤波器(9)的输入端,带通滤波器(9)的输出端连接前置放大器(10)的输入端,前置放大器(10)的输出端连接功率分配器(11)的输入端;所述功率分配器(11)包括至少两个输出端,功率分配器(11)的第一输出端连接预加重滤波器(12)的输入端,多通道采集卡(13)包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器(11)的第二输出端连接多通道采集卡(13)的第一输入通道;所述预加重滤波器(12)的输出端连接多通道采集卡(13)的第二输入通道;所述多通道采集卡(13)的输出端连接数字信号处理模块(14)。
2.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述光调制器(3)为电光调制器或声光调制器。
3.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述光电探测器(8)为平衡探测器。
4.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述连续波激光器(1)、光纤分束器(2)、光调制器(3)、激光放大器(4)、光纤环形器(5)、望远镜(6)、混频器(7)和光电探测器(8)之间均采用保偏光纤连接。
5.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述功率分配器(11)为一分二功率分配器。
6.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述预加重滤波器(12)用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号。
7.根据权利要求1所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,功率分配器(11)用于将前置放大器(10)放大之后的电信号分为两部分,一部分电信号作为监测通道,直接输入多通道采集卡(13),另一部分信号输入预加重滤波器(12)进行鉴频;预加重滤波器(12)用于将输入的频域信号转换为强度随频率变化的电压信号;数字信号处理模块(14)用于根据多通道采集卡(13)采集到的预加重滤波器(12)输出的强度随频率变化的电压信号、监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线,得到回波信号的多普勒频移,反演风速。
8.根据权利要求7所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,所述预加重滤波器的响应曲线用于存储输入预加重滤波器(12)的信号的频率与输出信号强度的对应关系。
9.基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达,其特征在于,包括:连续波激光器(1)、分束器、光调制器(3)、激光放大器(4)、环形器、收发望远镜(6)、混频器(7)、光电探测器(8)、带通滤波器(9)、前置放大器(10)、功率分配器(11)、预加重滤波器(12)、多通道采集卡(13)和数字信号处理模块(14);其中,
连续波激光器(1)输出的光信号经分束器后分为信号光和本振光,信号光输入光调制器(3)调制后,输入到激光放大器(4),激光放大器(4)将输入的光信号放大后输出到环形器的输入端,环形器的收发端连接望远镜(6),从光纤环形器的输出端输出的光信号输入到混频器(7)的第一输入端;本振光接入混频器(7)的第二输入端;从混频器(7)输出的光信号输入光电探测器(8);从光电探测器(8)的输出的信号输入带通滤波器(9),带通滤波器(9)的输出端连接前置放大器(10)的输入端;前置放大器(10)的输出端连接功率分配器(11)的输入端;所述功率分配器(11)包括至少两个输出端,功率分配器(11)的第一输出端连接预加重滤波器(12)的输入端,多通道采集卡(13)包括第一输出通道和第二输入通道,功率分配器(11)的第二输出端连接多通道采集卡(13)的第一输入通道;所述预加重滤波器(12)的输出端连接多通道采集卡(13)的第二输入通道;所述多通道采集卡(13)的输出端连接数字信号处理模块(14)。
10.基于权利要求1-8中任一所述的基于微波差分增益的相干多普勒测风激光雷达的风速测量方法,其特征在于,包括:
连续波激光器输出激光至光纤分束器;
光纤分束器将输入的激光分为两路,一路用作信号光,另外一路用作本振光;
信号光输入光调制器调制为脉冲光,脉冲光经激光放大器放大后输入光纤环形器,由望远镜出射;
本振光输入混频器;
望远镜接收出射激光与大气作用后反射回的回波信号,并将接收到的回波信号经光纤分束器输出;光纤分束器输出的回波信号输入至混频器中与本振光混频,混频后的光信号输出至光电探测器;
光电探测器将检测到的拍频电信号通过带通滤波器滤除直流和远离多普勒频移范围的无效杂散电信号后,经过前置放大器进行放大;前置放大器将放大后的信号输入功率分配器;
功率分配器的输出的一部分信号作为参考信号输入多通道采集卡的一个输入口作为监测通道,功率分配器输出的第二部分信号输入预加重滤波器进行信号处理;
预加重滤波器将频域电信号转换为强度随频率变化的电压信号后,输入多通道采集卡;
多通道采集卡接收功率分配器输出的参考信号和预加重滤波器输出的信号后输出至数字信号处理模块;
数字信号处理模块将预加重滤波器输出的强度随频率变化的电压信号与监测通道输出的电压信号和预定的预加重滤波器的响应曲线作对比,得到电压对应的回波信号的多普勒频移,根据多普勒频移反演风速。
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GR01 | Patent grant | ||
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